梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系及施工方法与流程

本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系及施工方法。

背景技术：

常规的建筑框架结构多为现场浇筑焊接的钢筋混凝土框架或钢框架，工期长，受环境影响较大，并且可实现的跨度较小，构件承载力较低，在实际工程中应用具有很大的局限性。近几年随着建筑向更快、更高、跨度更大和承载能力更强的方向发展，常规结构体系和施工方法面临新的挑战。人们开始构建造施工更方便、承载能力更强的结构体系。将钢框架设置成可拆卸的结构，并将不同部分用螺栓进行连接，在荷载作用下协同作业，形成框架整体，其强度较高，施工方便，并且可以重复利用，弥补了常规框架结构的缺陷和不足，一时在厂房建设中得到了广泛的应用。但是钢结构刚度较小容易发生整体失稳或局部失稳，而且钢结构大部分是由壁薄的型钢和细长杆件构成的，其面积形状复杂，节点容易发生应力集中同时存在偏心重力，所以为了提高框架的刚度，增强钢框架的整体稳定性，将钢框架与混凝土结合应用，发挥两者的优点。但是混凝土和钢结构共同作用时，钢结构之间的连接和钢-混凝土的连接以及梁柱节点的设计和在地震作用中的保护都存在较多的问题和不足，并且不同截面形式钢-混凝土组合结构的施工也是十分困难且很复杂的，因此构建新的结构体系并确定合理的施工方法迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系，这种梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系用于解决现有的钢-混凝土组合结构施工繁琐，组合结构之间的连接以及稳定性较差以及在地震作用下节点容易破坏的问题，本发明的另一个目的是提供这种梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为钢管的工字型节点端梁和翼缘为圆形钢管的节点端柱焊接成一体，工字型节点端梁与节点端柱连接处的圆形钢管之间相通，形成钢管整体式节点，工字型节点端梁的另一端焊接连接板，节点端柱的两端分别焊接连接板，钢管整体式节点内浇筑混凝土；组合柱是翼缘为圆形钢管混凝土的十字型或工字型组合柱，组合柱翼缘圆形钢管的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板固定连接后浇筑混凝土而形成组合柱；组合梁是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔的连接板，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板固定连接后浇筑混凝土而形成组合梁；节点与组合柱在各自的连接板处通过高强螺栓固定连接，节点与组合梁通过缓冲段连接；缓冲段是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，缓冲段的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，缓冲段的中点处横截面最小，缓冲段翼缘钢管的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板。

上述方案中节段式钢柱在工厂预制，其连接板与圆形钢管焊接，通过十字型钢腹板与圆形钢管焊接形成翼缘为圆形钢管的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土。

上述方案中节段式钢梁在工厂预制，其连接板与矩形钢管焊接，通过蜂窝型钢腹板与矩形钢管焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土。

上述方案中节段式钢梁在工厂预制，其连接板与圆形钢管焊接，通过工字型钢腹板与圆形钢管焊接形成翼缘为圆形钢管的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土。

上述方案中组合梁下翼缘钢管下侧可布置体外预应力筋，在梁端连接板上预留张拉孔，实现预应力筋的张拉和锚固，可减小梁的挠度。

上述方案中组合梁的工字型腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。

上述方案中混凝土采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土后，梁、柱及整体式节点的混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述方案中组合柱是翼缘为圆形钢管混凝土工字型组合柱，节点为T型整体式节点，将上下翼缘为钢管的工字型节点端梁和翼缘为圆形钢管的工字型节点端柱焊接成一体，在节点端柱腹板上通过高强螺栓与普通工字型节点端梁固定连接，形成T型整体式节点。

上述梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先在工厂预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱、钢管整体式节点、节段式钢柱、节段式钢梁、缓冲段；将焊有连接板、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将此部分浇筑混凝土接近连接板处，将节段式钢柱下部通过相应的连接板与高出地面的组合柱外钢管短柱连接好，所有节段式钢柱连接好后，浇筑混凝土，形成翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合底层柱；安装钢管整体式节点，通过节点端柱的连接板与十字型组合底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式钢梁和缓冲段连接，再将缓冲段与钢管整体式节点连接，同时安装完成其他节段式钢梁，浇筑混凝土，确保节段式钢柱、节段式钢梁、缓冲段、钢管整体式节点内均填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，养护后形成底层组合框架体系，然后陆续施工第二层组合框架体系，直至顶层组合框架体系。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的框架体系梁、柱和节点均由钢管混凝土构件构成，无普通纵筋和箍筋，施工过程简单，大大减少劳动力，降低整体造价。

2.本发明提出的翼缘为圆形钢管混凝土的十字型组合柱可承受的轴力比较大，与常规钢结构柱相比，能够明显减小柱的截面尺寸，避免框架体系中出现过于臃肿的胖柱。

3.本发明提出的翼缘为圆形钢管混凝土的十字型组合柱、体内预应力翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁、削弱段及十字型整体式节点的钢构件可在工厂预制，现场安装后现浇混凝土，大大减少工作量，缩短施工周期，而且结构整体连贯性好。

4.本发明框架体系可实现的跨度大。组合梁下端布置预应力筋，在施工张拉过程中可使梁产生反拱，在使用阶段与组合梁形成一体可减小组合梁的变形，适合大跨、重载和既有建筑的增层改造工程中。

5.本发明采用钢管混凝土的构造形式，不仅可以充分发挥钢材的力学性能，在极限荷载作用下截面中的型钢可全截面进入屈服，受压区边缘混凝土达到极限压应变，充分发挥钢材的最大能效，还能借助混凝土刚度大的优点提高框架结构的稳定性。

6.本发明的框架体系具有良好的延性，体系抗风、抗震性能较好，适合在地震区等复杂环境下应用。

7.本发明组合梁中采用翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，在梁腹板上开洞，截面可为圆形、六边形或者八边形，不但可减轻梁的自重，避免应力集中，同时节省钢材，施工时钢丝绳可穿过，便于吊装。

8.本发明采用自密实细石混凝土，在进行混凝土灌注时工作性能较好，不仅提高了施工效率，还提高了施工质量。

9. 本发明框架体系在施工过程中不需要支模，不仅节省了模板材料，而且施工不受常规层层施工的限制，可以多层同时施工。框架体系重量轻，基础造价较低。

10. 本发明采用的梁柱翼缘钢管被混凝土填充不易屈曲，刚度较大，稳定承载力较高。

11. 本发明在整体式节点和组合梁之间添加削弱段，在地震作用下可大量的吸收能量，至使屈服首先发生在削弱段上，保证整体式节点不被损坏，从而减小损失，加快灾后重建效率。当强震发生后，削弱段可能发生较大塑性变形，这样可更换削弱段，使结构体系恢复正常服役。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的平面布置图；

图3是本发明中十字型钢管整体节点的示意图；

图4是本发明中十字型组合柱的结构示意图；

图5是本发明中钢管整体式节点第三种实施方式的结构示意图；

图6是本发明中组合梁截面示意图；

图7是本发明中缓冲段的示意图；

图8是本发明中节点、缓冲段、组合梁的示意图；

图9是本发明中组合梁体外预应力筋的设置图；

图10是本发明中钢管整体式节点第二种实施方式的结构示意图；

图11是本发明缓冲段的第二种实施方式的结构示意图；

图12是本发明中工字型组合柱的结构示意图；

图13是本发明中第二种实施方式的组合梁的结构示意图；

图14是本发明中第二种实施方式的组合梁示意图。

图中：1组合柱 2组合梁 3节点 4节点端梁 5节点端柱 6连接板 7组合柱外钢管短柱 8圆形钢管 9十字型钢腹板 10混凝土 11矩形钢管 12缓冲段 13预应力筋 14蜂窝型钢腹板 15锚具 16锚垫板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

结合图1、图2、图3、图4、图6、图7、图8、图9所示，这种梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为钢管的工字型节点端梁4和翼缘为圆形钢管8的节点端柱5焊接成一体，工字型节点端梁4与节点端柱5连接处的矩形钢管11和圆形钢管8相通，形成钢管整体式节点，工字型节点端梁4的另一端焊接连接板6，节点端柱5的两端分别焊接连接板6，钢管整体式节点内浇筑混凝土10；组合柱1是翼缘为圆形钢管混凝土的十字型组合柱，组合柱翼缘圆形钢管的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板6，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土而形成组合柱1；组合梁2是翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁2翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔的连接板6，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土10而形成组合梁2；节点3与组合柱1在各自的连接板6处通过高强螺栓固定连接，节点3与组合梁2通过缓冲段12连接；缓冲段12是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，缓冲段12的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，缓冲段12的中点处横截面最小，缓冲段12翼缘钢管的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板6。缓冲段12上下翼缘做成矩形钢管11的形式，在工厂预制。

节段式钢柱在工厂预制，其连接板6与圆形钢管8焊接，通过十字型钢腹板9与圆形钢管8焊接形成翼缘为圆形钢管8的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁在工厂预制，其连接板6与矩形钢管11焊接，通过蜂窝型钢腹板14与矩形钢管11焊接形成翼缘为矩形钢管11的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁对传统的工字钢梁进行改进，翼缘做成矩形钢管11的形式，在梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔的连接板6，形成翼缘为矩形钢管11的工字型节段式钢梁，到现场后与节点端梁4通过高强螺栓实现可靠连接，然后浇筑混凝土10。为减小梁的挠度，在下翼缘钢管下侧可布置体外预应力筋13，在梁端连接板6上预留张拉孔，通过锚具15和锚垫板16张拉锚固，实现预应力筋13的张拉和锚固。为增加梁腹板的稳定性，在腹板上布置横向加劲肋。节段式钢梁的上下翼缘钢管可呈对称，也可呈非对称。

混凝土10采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土10后，梁、柱及整体式节点的混凝土10是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先在工厂预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7、钢管整体式节点、节段式钢柱、节段式钢梁、缓冲段12；将焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将此部分浇筑混凝土接近连接板6处，将节段式钢柱下部通过相应的连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有节段式钢柱连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合底层柱；安装钢管整体式节点，通过节点端柱5的连接板6与十字型组合底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式钢梁和缓冲段12连接，再将缓冲段12与钢管整体式节点连接，同时安装完成其他节段式钢梁，浇筑混凝土10，确保节段式钢柱、节段式钢梁、缓冲段12、钢管整体式节点内均填满混凝土10，且保证混凝土10的贯通性，养护后形成底层组合框架体系，然后陆续施工第二层组合框架体系，直至顶层组合框架体系。

实施例2：

结合图1、图2、图10、图11、图12、图13、图14所示，这种梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为钢管的工字型节点端梁4和翼缘为圆形钢管8的节点端柱5焊接成一体，工字型节点端梁4与节点端柱5连接处的圆形钢管8之间相通，形成钢管整体式节点，工字型节点端梁4的另一端焊接连接板6，节点端柱5的两端分别焊接连接板6，钢管整体式节点内浇筑混凝土10；组合柱1是翼缘为圆形钢管混凝土的工字型组合柱，组合柱1翼缘圆形钢管8的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板6，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土10而形成组合柱1；组合梁2是翼缘为圆形钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔的连接板6，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土10而形成组合梁2；节点3与组合柱1在各自的连接板6处通过高强螺栓固定连接，节点3与组合梁2通过缓冲段12连接；缓冲段12是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，缓冲段12的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，缓冲段12的中点处横截面最小。缓冲段12上下翼缘做成圆形钢管8的形式，在工厂预制。

组合柱1是翼缘为圆形钢管混凝土工字型组合柱，节点为T型整体式节点，将上下翼缘为圆形钢管8的工字型节点端梁和翼缘为圆形钢管8的工字型节点端柱焊接成一体，在节点端柱工字型腹板上通过高强螺栓与普通工字型节点端梁固定连接，形成T型整体式节点。

节段式钢柱在工厂预制，其连接板6与圆形钢管8焊接，通过蜂窝型钢腹板14与圆形钢管8焊接形成翼缘为圆形钢管8的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁在工厂预制，其连接板6与圆形钢管8焊接，通过工字型钢腹板与圆形钢管8焊接形成翼缘为矩形钢管11的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土10。 对传统的工字钢梁进行改进，翼缘做成圆形钢管8的形式，在梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔的连接板6，形成翼缘为矩形钢管11的工字型节段式钢梁，到现场后与节点端梁4通过高强螺栓实现可靠连接，然后浇筑混凝土10。为减小梁的挠度，在下翼缘钢管下侧可布置体外预应力筋13，在梁端连接板上预留张拉孔，实现预应力筋13的张拉和锚固。为增加梁腹板的稳定性，在腹板上布置横向加劲肋。上下翼缘还可做成矩形钢管11的形式，并且上下翼缘钢管可呈对称，也可呈非对称。

混凝土10采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土10后，梁、柱及整体式节点的混凝土10是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7，两端焊好连接板6的组合柱圆形钢管柱，两端焊好连接板6的翼缘为圆形钢管的工字型蜂窝梁、两端焊好连接板6的缓冲段12及整体式节点。将框架体系所有焊好连接板6的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将钢管内浇筑混凝土接近连接板6处。将两端焊好连接板6的组合柱圆形钢管下部通过连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有组合柱圆形钢管连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为圆形钢管混凝土的工字型组合底层柱。安装整体式节点，通过节点端柱5的连接板6与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将翼缘为钢管的工字型蜂窝梁和缓冲段12连接并与整体式节点相连，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架梁，同时在梁下翼缘圆形钢管下侧布置无粘结预应力筋13。然后同底层一样完成二层的钢构件的连接。然后浇筑混凝土10至二层柱顶，确保柱、梁、缓冲段12和节点3内填满混凝土10，且保证混凝土10的贯通性，养护达到一定强度后对预应力筋13进行张拉达到张拉控制应力。形成底层预应力组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，在张拉下层预应力筋13时要确保本层钢结构已经连接，确保体系在张拉预应力筋13过程中不发生较大的变形。这种施工方法称为两层一张法。该施工方法不涉及钢筋的绑扎，钢构件全部工厂预制，施工具有很好的连续性和不间断性，大大缩短施工周期。

实施例3：

结合图1、图2、图5所示，本实施例中组合柱是翼缘为圆形钢管混凝土的十字型组合柱，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为圆形钢管的工字型节点端梁和翼缘为圆形钢管8的十字型节点端柱焊接成一体，工字型节点端梁与节点端柱连接处的圆形钢管8之间相通，形成钢管整体式节点，工字型节点端梁的另一端焊接连接板，节点端柱5的两端分别焊接连接板6，钢管整体式节点内浇筑混凝土10，其它与实施例2相同。

上述梁柱翼缘为钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7，两端焊好连接板6的组合柱圆形钢管柱，两端焊好连接板的翼缘为圆形钢管8的工字型蜂窝梁、两端焊好连接板6的缓冲段12及整体式节点。将框架体系所有焊好连接板6的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将钢管内浇筑混凝土10接近连接板处。将两端焊好连接板6的组合柱圆形钢管下部通过连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有组合柱圆形钢管连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为圆形钢管混凝土的十字型组合底层柱。安装整体式节点，通过节点端柱5的连接板6与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将翼缘为钢管的工字型蜂窝梁和缓冲段12连接并与整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架梁，同时在梁下翼缘圆形钢管下侧布预应力筋13。然后同底层一样完成二层钢构件的连接，然后浇筑混凝土10至二层柱顶，确保柱、梁缓冲段12和节点3内填满混凝土10，且保证混凝土10的贯通性。然后陆续向上施工，完成三层的钢构件连接，浇筑二层混凝土10至三层柱顶，依次完成顶层的施工，混凝土10养护后自底向上张拉每层的预应力筋13，可靠锚固，完成整体框架的预应力施工，这种施工方法称为整体后张法。框架形成后张拉预应力筋13，和常规的框架一样，确保整体受力。优点在于层层施工不间断，施工周期短。